汽油机进气歧管设计研究 word

1、中北大学2013届毕业设计说明书C14DVVT汽油机进气歧管设计研究 摘 要 进气歧管是发动机进气系统最关键的零部件，由于塑料进气歧管的成本低、质量轻等优点，已逐渐取代了传统的铝合金铸件歧管。为了提高发动机的效率和扭矩，改善发动机的性能，提高汽车的动力性和燃油经济性 ，针对C14DVVT发动机的进气歧管进行设计研究。采用先进的计算机技术进行设计、计算及分析。先通过CATIA进行三维建模 ，然后导出进气歧管内部气流的计算域 ，再用商业化CFD软件FIRE对进气歧管内部的气体流动进行分析计算并提出改进意见，最后完成进气歧管的设计。 关键词：进气歧管设计，塑料，FIRE分析优化 Design Res

2、earch of C14DVVT Engine Intake Manifold AbstractAir intake manifold was the most critical component in the engine intake system.Plastic air intake manifolds successfully replaced the aluminum air intake manifolds for its good performance,lower weight and costs.In order to improve the efficiency of t

3、he engine,the torque and the engine performance,greatly improve the power performance and fuel economy of vehicles,study the design of C14DVVT engine intake manifold .Using advanced computer technology to design, calculation and analysis.First through the CATIA to build 3D model, and then get calcul

4、ation domain of internal air intake manifold,and then use commercial CFD software FIRE for the analysis of gas flow and put forward the improvement opinion, finally completed the design of the intake manifold. Keywords: design of intake manifold, plastic, the FIRE analysis optimization 第一章 绪论11.1 引言

5、11.2 进气歧管综述11.2.1 进气歧管的功用11.2.2 进气歧管的总成结构以及组成21.2.2.1 汽油机进气歧管21.2.2.2 柴油机进气歧管31.3 发动机进气歧管的发展现状及趋势41.3.1 进气歧管发展现状41.3.2 塑料进气歧管的优势51.3.3 塑料进气歧管的材料及产品要求61.3.4 塑料进气歧管制造工艺的选择71.4 本课题研究意义及主要研究内容7第二章 进气歧管的设计流程概述92.2 概念设计92.2.1 概念设计阶段输入92.2.2 概念设计阶段输出92.3 布置设计92.4 详细设计10第三章 进气歧管结构尺寸设计113.1 设计原则113.2 参数选定113

6、.2.1稳压腔容积的选定113.2.2歧管长度的选定123.2.3歧管直径的选定12第四章 进气歧管的三维建模144.1 三维软件CATIA介绍144.2 CATIA建模15第 I 页 共 II 页第五章 进气歧管流动分析及设计研究175.1 CFD概述175.2 AVL FIRE软件简述175.3 流体动力学控制方程185.3.1 质量守恒方程185.3.2 动量守恒(N-S方程)方程185.3.3 能量方程195.3.4 湍流输运方程195.4 用FIRE进行分析计算215.4.1 划分网格225.4.2 计算参数设置255.4.3 结果分析305.4.4 提出改进意见34第六章 全文总结

7、35参考文献36致 谢39第 II 页 共 II 页第一章 绪论1.1 引言汽车产业是国民经济重要的支柱产业，产业链长、关联度高、就业面广、消费拉动大，在国民经济和社会发展中发挥着重要作用1。进入21世纪以来，我国汽车产业高速发展，形成了多品种、全系列的各类整车和零部件生产及配套体系，产业集中度不断提高，产品技术水平明显提升，已经成为世界第一大汽车消费国和第二大汽车生产国。发动机作为汽车的心脏，为车辆提供动力，在整车上扮演着不可或缺的角色2。由于环境污染日益严重，能源危机愈演愈烈，因而汽车使用低污染节能发动机一直是政府和专业人士的目标3。因此，降低发动机的排放、提高其燃油经济性也就成为目前内燃

8、机工作者的当务之急。发动机在工作过程中需要一套进气系统来为气缸提供稳定的新鲜充量，其进气系统由空气滤清器、进气歧管、空气滤清器与进气管的连接管、缸盖进气道等组成。发动机中的气体流动十分复杂，并具有三维、不定常流动和流动湍流性强等特点。进气系统的优劣在很大程度上影响了发动机的动力性、经济性和排放性等性能指针4。发动机进气歧管的尺寸、形状和布置等对进气阻力、进气均匀性以及充气效率影响非常大，进而影响发动机的动力性、经济性和排放特性5。在现代发动机的研发中，提供足够的新鲜空气对发动机的性能指标有着重要的影响，因而进气歧管的设计变得十分重要6。 1.2 进气歧管综述1.2.1 进气歧管的功用 简单的来

9、说，进气歧管是将燃油混合气送入发动机缸盖的一个组件，起到引导空气流向的作用。同时也是其它管路和较小附件的一个支撑体7。 一般来说，进气歧管在发动机上的作用主要有三点： （1）发动机动力性能。进气歧管属于发动机里面一个非常重要的组件，它直接影响到发动机的性能。当发动机处于大功率的时候，就要燃烧更多的燃油，当然也就需要更多的空气，而另外在怠速稳定时，又需要调节空气量来保证少量燃油的燃烧，从而满足燃油经济性要求，这些都是通过进气歧管的总成系统来调节的。总之，进气歧管设计的好坏对发动机的输出功率和扭矩有着直接影响。 （2）发动机噪音。汽车和发动机产生的噪音中，进排气系统传递的压力波占很大比例。歧管的几

10、何形状对于由压力波产生的频率和振幅有重要的作用。歧管部分设计要削弱压力波的振幅和作用于特殊的频率成分。保证能够获得理想的声谱的同时不会对能够提高发动机性能的波产生不利的影响。 （3）发动机的排放。发动机进气歧管内的非稳态流动的流体对排放水平有重要的影响。提高涡流比可使燃烧加速并且完全，其结果可导致缸内最高燃烧压力和温度的升高，从而使NOX 的排放明显增加，若减少涡流强度虽然可以减少NOX 的排放，但是势必牺牲汽油机的动力性和经济性。因此合理组织进气涡流对发动机的性能和排放是很至关重要的。另外，进气歧管还有一个促进EGR 废气、曲轴箱通风系统混合气与空气的混合作用，保证进气的均匀。而且对于非增压

11、发动机，它还是一个真空源，为真空系统零件提供真空的作用8,9。1.2.2 进气歧管的总成结构以及组成 进气歧管是发动机最关键部件之一，其核心功能是与进气道一起为发动机各缸提供充足均匀的混合气，是影响发动机动力性和油耗的关键因素；除此之外，进气歧管还为发动机电喷系统主要传感器和执行器提供结构支撑，喷油器、油轨、进气压力传感器、温度传感器、碳罐、节气门体、可变进气阀、怠速控制、刹车助力等均安装在进气歧管上，使得进气歧管结构很复杂10。进气歧管的结构是根据发动机的类型、布置形式以及其他一些因素决定的，不同类型的发动机对进气歧管的要求不一样，所以其结构也是不同的。根据现有的发动机的类型，分为以下两类介

12、绍：1.2.2.1 汽油机进气歧管 汽油机进气歧管分为自然吸气式和增压式两类，如下图所示。 图1-1自然吸气式汽油机进气歧管图1-2增压式汽油机进气歧管1.2.2.2 柴油机进气歧管 柴油机进气歧管也可分为两类：一般柴油机的进气歧管和带有可变涡流控制系统的柴油机进气歧管。 图1-3一般柴油机的进气歧管图1-4 带有可变涡流控制系统的柴油机进气歧管1.3 发动机进气歧管的发展现状及趋势1.3.1 进气歧管发展现状传统的进气歧管是铸件，目前大多数进气歧管为铝合金材料制成，由于进气歧管结构复杂，一般都采用金属模砂型铸造，其表面粗糙、充气阻力大、质量大；另外为满足发动机进气和电喷系统安装要求，金属进气

13、歧管设计制造工艺越来越复杂，成品率很难保证11。随着欧排放标准的临近，新型发动机进气歧管要求配备电控可变进气阀等复杂的内部控制机构，金属进气歧管已很难满足未来进气歧管的发展要求。为了达到减轻质量降低油耗、提高发动机性能和降低排放等要求，欧洲的汽车商率先采用尼龙制造进气歧管，随后美国、日本、韩国相继开发塑料进气歧管12。 塑料进气歧管的国产化进程大致可分为以下三个阶段： 第一阶段为全部引进阶段。20世纪90 年代初，随着一些合资汽车企业的成立，国外较先进的发动机产品生产线随着一些引进车型被引入国内。在这一阶段，塑料进气歧管作为发动机的重要部件，其核心技术由外资方控制，进口成本很高。 第二阶段主要

14、表现为一些外资企业直接在国内生产。在此阶段，外资企业将其在国外的塑料进气歧管生产线及全套模具转入到国内，利用国内廉价的劳动力，为其在国内的合资厂提供配套的塑料进气歧管，而塑料进气歧管的设计研发工作仍在国外。 第三阶段，随着国内汽车制造技术的不断进步，一些国内企业开始了塑料进气歧管的研制和开发工作。 塑料进气歧管是一种高技术含量的产品，其中包含了很多发动机方面的关键技术。但目前国内大多数的塑料进气歧管生产企业过去只是普通塑料制品的生产厂，他们大都不具备设计和生产发动机的技术能力，因此只能仿制一些已经过时的塑料进气歧管，他们的技术水平良莠不齐。总体而言，目前国内生产的塑料进气歧管普遍存在技术水平低

15、下、难以满足发动机的工作要求的问题13,14。1.3.2 塑料进气歧管的优势 塑料进气歧管在设计和制造上要求非常高，性能要求非常苛刻，目前只有少数几个国家掌握该项技术。但是由于塑料进气歧管的成本较低，质量较轻等优点，国内的主机厂、配套制造方对这方面技术表示相当的关注，预测未来的中国市场在塑料进气歧管方面将有很大的发展空间15。塑料进气歧管的优点： (1)轻量化。与铝制进气歧管相比，塑料进气歧管质量降低40一60。 (2)降低成本。塑料材质的产品其成本低于铝质产品，生产方式采用注塑成型、振动摩擦焊接的工艺，具有成型工序少、提高生产效率、节省加工时间、降低装配时间的特点。 (3)塑料进气歧管的内表

16、面非常光滑，气流阻力小，可提高充气效率，燃油可充分燃烧。由于塑料进气歧管的导热性低于铝进气歧管，使气体受热膨胀率降低，提高了气体的密度，使气体进入燃烧室的温度降低，这不仅改善了热起动性，提高发动机的效率和扭矩，同时冷启动时可以一定程度避免管内热量散失，加快提高气体温度改善了发动机的性能，减少废气排放。 (4)降低噪声。这是因为塑料进气歧管普遍采用的材料尼龙(PA)本身具有减振消声和耐磨性。 (5)设计自由度大。1.3.3 塑料进气歧管的材料及产品要求 发动机周边零部件的塑料化发展缓慢，是由于发动机周边环境条件的影响所致。由于发动机工作时所产生的热经过辐射、传导、对流以及受大气环境影响，发动机周

17、边的温差范围是-40140。特别是当汽车行驶过后停车的瞬间，其最高温度要在140以上。因此，塑料进气歧管件一般必须符合下列要求16： (1)耐高温，塑料进气歧管与发动机缸盖直接连接，发动机缸盖温度可达130150。因此，要求塑料进气歧管材料能承受180的高温。 (2)高强度，除了要承受道路上飞沙的冲击，塑料歧管安装在发动机上，要承受汽车发动机振动负荷、节气门和传感器惯性力负荷、进气压力脉动负荷等，还要保证在发动机发生异常回火时不被高压脉动压力爆破。 (3)尺寸稳定性，进气歧管与发动机的连接尺寸公差要求很严格，歧管上各传感器、执行器等安装也要很准确。 (4)化学稳定性，塑料进气歧管在工作时直接接

18、触汽油和防冻冷却液，汽油是很强的溶剂，冷却液中的乙二醇也会对塑料性能产生影响。因此，塑料进气歧管材料要耐各种介质的腐蚀，即汽油、柴油、润滑油、长效冷冻液、制动液、蓄电池液、洗涤液、油中的各种添加剂、醇类、高温水及融雪剂的侵蚀，化学稳定性要求很高，需要经过严格测试。 (5)热老化稳定性，汽车发动机处于很苛刻的环境温度下工作，工作温度在一30130往复变化，塑料材质必须能保证歧管的长期可靠性。(6)良好的熔融流动性、成型性能，因为这些部件大多采用注塑成型，有的部件结构非常复杂，因此树脂必须要有良好的流动性，否则难以成型。目前普遍采用的材料为尼龙PA6或PA66加2535的玻纤的增强塑料。尼龙的特点

19、是耐高温、化学稳定性好，缺点是收缩率比较大，因此需加玻纤，减小收缩率。尼龙耐乙二醇的性能也不太好，内部含冷却水道的歧管材料需采用专用抗乙二醇尼龙配方。尼龙的另一个缺点是吸水性太强，吸水后尼龙强度下降近40。塑料进气歧管材料一直在发展中，目前为止尼龙还是最佳选择17。1.3.4 塑料进气歧管制造工艺的选择塑料进气歧管制造工艺主要有熔芯法、振动摩擦焊、热板焊。最近还出现了高温诱导焊和热电阻焊。 (1)熔芯注塑技术是应用最早、最成熟的塑料进气歧管生产工艺。其原理是：用低熔点的锡合金制成进气歧管的内腔芯核，然后将其装配进模具中，再向模具内注入尼龙材料。注塑过程完成后，由尼龙注塑而成的进气歧管的外型即将

20、内腔芯核包复在内。此时，将内部带有金属芯核的进气歧管放入熔化池内，以使金属芯核熔化。由于金属芯核的熔点比较低（一般110），而尼龙的熔点相对较高，因此在内部芯核熔化的过程中塑料进气歧管的外形保持不变。 熔芯法生产塑料进气歧管的优点是：进气歧管的内壁完整光滑，从而提高了气体的流动性，能够最大限度地发挥发动机的性能；由于是一次注塑成型，进气歧管的气密性好，成品率高；熔芯过程可消除塑料进气歧管在注塑过程中产生的残余应力，使得进气歧管具有更好的机械性能。 熔芯法的缺点是：在金属芯核的铸芯和熔芯过程中，要消耗大量的电能，因而使得熔芯法生产塑料进气歧管的成本相对较高。(2) 振动摩擦焊接技术也称为“多片焊

21、接法”。振动摩擦焊接的工作原理是：利用在两个待焊工件接触面所产生的摩擦热能来使塑料熔化，热能来自一定压力下，一个工件在另一个表面以一定的位移或振幅往复的移动，一旦达到预期的焊接程度，振动就会停止，同时仍旧会有一定的压力施加于两个工件上，使刚刚焊接好的部分冷却、固化，从而形成紧密地结合。振动摩擦焊主要优点是：生产效率高、成本低。振动摩擦焊缺点是焊缝处的强度低、外观不好、气体流动性相对较差。热板焊对工艺要求很高，应用不是很广。目前国际上塑料进气歧管最成熟的生产工艺是多片振动摩擦焊，生产效率高且成本低18,19。1.4 本课题研究意义及主要研究内容汽车轻量化是汽车工业发展方向之一，也是汽车厂乃至国家

22、技术进步和先进程度的重要标志。传统的进气歧管是铸件，目前大多数进气歧管为铝合金材料制成，由于进气歧管结构复杂，一般都采用金属磨砂型铸造，其表面粗糙、充气阻力大、质量大，为了达到减轻质量降低油耗、提高发动机性能和降低排放等要求，欧洲的汽车商率先采用尼龙制造进气歧管，随后美国、日本、韩国各大汽车制造商相继开发塑料进气歧管。 塑料制品不仅能减少零件质量，而且能降低噪音。车用塑料一直是人们在汽车零部件设计及开发中的有效途径和重要手段之一，而且在未来的十年里，解决现有许多汽车安全问题的关键还是在于塑料。塑料不仅使发动机系统更容易设计和装配，而且也使发动机质量更轻,。发动机塑料进气歧管可比铝进气歧管重量减

23、轻以上，发动机动力性能得到 的提升，经济性和排放性也有相当改善，材料和制造成本都可得到降低。本课题对C14DVVT发动机的进气歧管进行设计研究，采用先进的进气歧管设计方法，通过三维软件CATIA建立三维模型，然后再以STL格式导出进气歧管的计算域，之后将导出来的计算域导入商业化CFD软件FIRE中进行面网格、体网格的生成工作。运用FIRE自带的网格生成工具生成进气歧管计算网格。建立进气歧管内气体流动的守恒方程、选用合适的数值计算方法、对气体流动进行数值模拟分析运算。监控各进气管道的质量流量、压力分布、气流速度等参数，分析各管道的进气分配均匀性和流动阻力分布，找出进气歧管设计的不合理之处，提出改

24、进意见。 第二章 进气歧管的设计流程概述2.1 一般设计流程 给定发动机的设计参数（功率、扭矩、缸径、喷油方式等），根据发动机的参数及布置形式初步计算出进气歧管的结构尺寸（管径、中心型线长度、稳压腔体积等），然后进行三维建模形成初步的模型，之后对三维模型进行CFD分析计算并提出优化建议完善模型，最终定型。2.2 概念设计在概念设计阶段，根据前舱布置空间布局，加上设计输入建立一个进气管的概念模型。这个概念模型只是因为布置需要而建立的模型，所以比较简单，而且不需要带很多特性信息。一般需要的设计输入主要包括进气管与缸盖接触面的法兰面形状，进气管气道长度、气道截面和稳压腔大小等参数。其中进气气道长度、

25、气道截面和稳压腔大小等参数是根据发动机的性能设计要求，经验积累或者其它的进气管参考特征，初步制定出大概的形状20。2.2.1 概念设计阶段输入 a.缸盖进气面形状和固定螺栓孔位置 b.节流阀体安装法兰的位置 c.进气歧管周围件位置确定 d.CAE 提供进气歧管一维计算参数：进气歧管长度、截面积、稳压腔大小2.2.2 概念设计阶段输出 a.确定进气管气道 b.确定进气歧管结构形式c.确定进气歧管的技术方案2.3 布置设计 详细的布置设计阶段。由于到此阶段时，发动机大部分件的概念模型都已经完成，发动机的布局已经基本定型了，现在所做的都是细化工作，解决相关的干涉问题等。在这个时候开始考虑并确定进气管

26、的形式是整体式还是分体式，另外进气管缸盖进气面形状和固定螺栓孔位置，节流阀体安装法兰的位置，进气歧管周围件位置等都将确定，实际上一个较为详细的进气管外形轮廓基本上已经出来了。这一阶段主要考虑间隙问题，进气管与周围件的间隙要求一般为与发动机本体上的零件间隙保证在5mm 以上，与车身间隙保证在25mm 以上。如果两者间没有相对运动的则他们间的距离可以更小些。进气管的布置主要根据发动机的布置，以及车辆前舱空间的大小来确定21。2.4 详细设计紧接着进入产品的详细设计阶段，这一阶段主要是进一步完善设计模型，创建二维图纸，编写技术要求等。这一阶段就是不停的完善设计模型，包括根据试验台架结果和模拟计算做适

27、当修改，根据供应商的工艺反馈修改，零件间干涉检查修改等。第三章 进气歧管结构尺寸设计3.1 设计原则进气歧管一般采用等长度设计原则，即每个气道的中心型线的长度保持相等，这样各缸的进气均匀性就比较好。但由于布置等因素的影响，实际上长度可能并不相等。气道的中心型线的长度指从进气歧管与缸盖结合法兰面到稳压舱中心这段的距离。对于进气歧管而言，影响发动机性能的关键参数就是进气歧管长度，气道截面积大小，稳压舱体积大小。一般而言，气道芯核的长度和截面直径影响发动机在中高速时的性能，而且对充气效率也有影响。因为共振因素，大直径和短的管，能够将其峰值转移到更高的转速处。另一方面，略微的减小直径，能够提高发动机中

28、等转速的性能，而且小直径的发动机在高速运转时能起到节流作用。由于这几个参数一般是模拟计算的结果输入，对于设计建模来说就一定要保证这几个参数的正确性，不能够随意更改22。3.2 参数选定 在开始进行进气歧管设计时，必须有的几个参数包括：气道长度L，气道截面积大小S1，稳压腔体积V，节流阀体入口截面直径1,发动机缸心距。进气歧管结构参数说明见下图：3.2.1稳压腔容积的选定合适的稳压腔容积不仅可以利用谐振效应提高充气效率，还可以使稳压腔内的压力环境相对稳定，消除各缸进气干扰，为进气动力效应提供良好的条件，同时也可改善各缸的进气均匀性。 塑料进气歧管稳压腔的设计中，考虑到歧管在发动机及整车上的布置，

29、充分利用塑料件成型容易、设计自由度大等优点，合理选择稳压腔容积，一般取0812倍的发动机排量之间23。此次设计的C14DVVT发动机排量为1.4L，稳压腔容积V设计定为1.68L，入口直径Ø为70mm。3.2.2歧管长度的选定进气歧管长度直接影响充气效率，在进气歧管型腔优化计算中，需将进气歧管长度作为目标参数进行优化。查阅专业资料得知随着歧管长度的增加，充气效率的峰值向低速区域偏移，中、低速区域的充气效率和扭矩增大，并且高速区油耗增大；岐管长度越短，高速区功率、扭矩越大，同时油耗降低，但是中、低速区域，扭矩急剧下降24。 对于每一款发动机均存在一最佳管长，可以使发动机在某一转速区域内

30、，进气过程中产生的正向压力波使得迸气过程结束时，气门处的压力高于正常的进气压力，进气充量得到提高。塑料进气歧管型腔设计中，应充分考虑进气波动效应，使气流在发动机最大扭矩点转速附近能产生一次增压反射，以获得较好的惯性增压效果。同时因长度受发动机在整车上安装空间的限制，还应兼顾其对进气流量和歧管模具制作难度带来的影响。所以此次歧管长度L取为400mm。3.2.3歧管直径的选定查阅资料得知进气歧管的管径应根据管道摩擦和波动效应来选取。从摩擦影响的角度来看，由于管道中的压力降与管径四次方的倒数成正比，因此希望管径较大25；而从波动效果来看，则希望管径较小以增大波动的幅度。仅考虑摩擦的影响，Kasmer

31、给出了最小管径的估算公式： （31）式中：d为气缸直径，mm；S为行程，mm；n为汽油机转速，rmin。根据大量的实验数据。Engelaman总结出产生最佳波动效果的谐振管管径计算公式，即： （32）式中：V为气缸容积； 传统发动机进气歧管多用方形，这是因为方形断面表面面积大，有利于进气歧管内油膜的蒸发，同时从铸造工艺上考虑，方形也比圆形更简单一些。但是，从单片塑料进气歧管的注塑工艺上考虑，半圆形断面更有利于脱模，同时因圆形断面对气流的阻力小，进气管道不易形成油膜，为了得到更高的气流速度，发动机塑料进气歧管多采用圆形断面26,27。综合考虑此次管径采用方形。设计过程中兼顾功率和扭矩的同时，初选

32、管径约取0.81.0倍的进气门直径，还应注意歧管与发动机缸盖气道的结合以及歧管在稳压腔上的布置28。长为50mm，宽为22mm，倒角半径分别取9mm和2.5mm，气道的间距L=L=L=30mm。第四章 进气歧管的三维建模4.1 三维软件CATIA介绍CATIA是法国达索飞机公司在70年代开发的高档CAD/CAM软件，是世界上一种主流的CAD/CAE/CAM一体化软件。CATIA是英文ComputerAided Tri-Dimensional Interactive Application（计算机辅助三维交互式应用）的缩写。目前在中国由IBM公司代理销售。CATIA

33、的产品开发商Dassault Aviation 是世界著名的航空航天企业，成立于1981年。其产品以幻影2000和阵风战斗机最为著名。而如今其在CAD/CAE/CAM 以及PDM 领域内的领导地位，已得到世界范围内的承认。其销售利润从最开始的一百万美圆增长到现在的近二十亿美圆。雇员人数由20人发展到2，000多人。CATIA是CAD/CAE/CAM一体化软件，位居世界CAD/CAE/CAM领域的领导地位，广泛应用于航空航天、汽车制造、造船、机械制造、电子/电器、消费品行业，它的集成解决方案覆盖所有的产品设计与制造领域，其特有的DMU电子样机模块功能及混合

34、建模技术更是推动着企业竞争力和生产力的提高。CATIA提供方便的解决方案，迎合所有工业领域的大、中、小型企业需要。包括:从大型的波音747飞机、火箭发动机到化妆品的包装盒，几乎涵盖了所有的制造业产品。在世界上有超过13,000的用户在使用共13万套以上的CATIA为其工作，大到飞机、载人飞船和汽车，小到螺丝钉和钓鱼杆，CATIA可以根据不同规模、不同应用定制完全适合本企业的解决方案。CATIA源于航空航天业，但其强大的功能以得到各行业的认可，在欧洲汽车业，已成为事实上的标准。CATIA的著名用户包括在世界制造业中具有举足轻重的地位一大批知名企业，如波音、克莱斯勒、宝马、奔驰等。在中国，CATI

35、A也得到了广泛的应用。哈尔滨、沈阳、西安、成都、景德镇、上海、贵阳等都选用CATIA做为其核心设计软件。包括一汽集团、一汽大众、沈阳金杯、上海大众、北京吉普、武汉神龙在内的许多汽车公司都选用CATIA开发他们的新车型。 CATIA是汽车工业的事实标准，是欧洲、北美和亚洲顶尖汽车制造商所用的核心系统。CATIA 在造型风格、车身及引擎设计等方面具有独特的长处，为各种车辆的设计和制造提供了端对端（end to end）的解决方案。CATIA涉及产品、加工和人三个关键领域。CATIA的可伸缩性和并行工程能力可显著缩短产品上市时间。  一级方程式赛车、跑车、轿车

36、、卡车、商用车、有轨电车、地铁列车、高速列车，各种车辆在CATIA上都可以作为数字化产品，在数字化工厂内，通过数字化流程，进行数字化工程实施。CATIA 的技术在汽车工业领域内是无人可及的，并且被各国的汽车零部件供应商所认可。从近来一些著名汽车制造商所做的采购决定，如Renault、Toyota、Karman、Volvo、Chrysler等，足以证明数字化车辆的发展动态。Scania是居于世界领先地位的卡车制造商，总部位于瑞典。其卡车年产量超过50，000辆。当其他竞争对手的卡车零部件还在25，000个左右时，Scania公司借助于CATIA系统，已经将卡车零部件减少了一半。现在，S

37、cania公司在整个卡车研制开发过程中，使用更多的分析仿真，以缩短开发周期，提高卡车的性能和维护性。CATIA系统是Scania公司的主要CAD/CAM系统，全部用于卡车系统和零部件的设计。通过应用这些新的设计工具，如发动机和车身底盘部门CATIA系统创成式零部件应力分析的应用，支持开发过程中的重复使用等应用，公司已取得了良好的投资回报。现在，为了进一步提高产品的性能，Scania公司在整个开发过程中，正在推广设计师、分析师和检验部门更加紧密地协同工作方式。这种协调工作方式可使Scania公司更具市场应变能力，同时又能从物理样机和虚拟数字化样机中不断积累产品知识。4.2 CATIA建模 用CA

38、TIA进行三维建模，完成后如以下两个截图所示。图4-1 进气歧管三维模型截图图4-2进气歧管三维图截图第五章 进气歧管流动分析及设计研究5.1 CFD概述 计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，简称 CFD）是通过计算机数值计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析。大部分CFD软件对流体运动的数值模拟的原理基本相同，它通过有限体积法将流体的控制方程离散到空间各点，再利用迭代方法对离散后各点的控制方程组进行求解，最终得到计算区域内各点的流动特性参数。通过这种数值模拟，可以得到极其复杂问题的流场内各个位置上的基本物理量（如速度、压力

39、、温度、浓度等）的分布，以及这些物理量随时间的变化情况，确定旋涡分布特性、空化特性及脱流区等。5.2 AVL FIRE软件简述 李斯特内燃机及测试设备公司 (AVL List GmbH)是一家在世界汽车、发动机行业拥有极高知名度和良好声誉的高科技公司。李斯特公司成立于1948年，当时只是一个简陋的设计工作间，今天她已发展成为一个集发动机科研、开发、设计、咨询、以及发动机测试设备生产的跨国高科技集团。其总部位于风景如画的奥地利格拉茨市，45个子公司及分支机构遍布世界各地，是目前世界上最大的、独立的、私有的专业公司。也是全球规模最大的从事内燃机设计开发、动力总成研究分析以及有关测试系统和设备开发制

40、造的私有公司。目前，几乎所听说过的国内、国外汽车生产厂家都是AVL公司的合作者，FIRE是AVL自己开发并且一直在应用着的软件, 不仅能求解通用流动问题, 也能求解最复杂的内燃机缸内流动和燃作问题。其中，AVL的两大核心业务内燃机开发设计和测试设备均占中国市场70%以上的份额；AVL在中国已拥有200多家中国用户，与一汽锡柴、潍柴、上柴、大柴等许多发动机及汽车厂家都有合作。AVL FIRE软件在求解瞬态复杂流动方面的优势使其在求解普通流动方面更是得心应手。它的开发和应用结合了AVL多年来研发各类发动机的经验。除了具备当前市面上其它通用CFD软件所具有的功能外,AVL FIRE软件还有很多自身的

41、优势及特点。 FIRE极其友好的用户界面和一流的网格生成技术FIRE的网格生成，求解及结果处理三大块被集成一体，用户界面酷似微软办公软件界面，具有简洁明了，易学易掌握的优势。网格生成过程以导航程序引导，有不同程度自动化生成方法，用户可随心所欲实现各种形式的局部网格细化，还可快速进行移动网格的生成。对任意复杂的几何形状，都可自动生成六面体网格占80以上的混合网格29。5.3 流体动力学控制方程5.3.1 质量守恒方程 任何流动问题都必须满足质量守恒定律。该定律可以表述为：单位时间内流体微元体中质量的增加，等于同一时间间隔内流入该微元体的净质量。据此可以提出进气道内的气体质量守恒方程： (5-1)

42、引入矢量符号: (5-2)式(5-2)可写成: (5-3)在式(5-1)至(5-3)中,为密度;t为时间;u、v和w则为在x、y和z方向上速度矢量u在x、y和z方向上的分量。5.3.2 动量守恒(N-S方程)方程 动量守恒定律也是任何流动系统都必须满足的基本定律。该定律可表述为：微元体中流体的动量对时间的变化率等于外界作用在该微元体上的各种力之和。该定律实际上就是牛顿第二定律。按照这一定律，可导出x、y和z方向的动量守恒方程： （5-4a） （5-4b） （5-4c）式(5-4）是动量守恒方程，简称动量方程，也称作运动方程，还称为Navier-Stokes方程。5.3.3 能量方程 能量方程守

43、恒定律是包含有热交换的流动系统必须满足的基本定律。该定律可简单表述为：微元体中能量的增加率等于进入微元体的净热流量加上体力与面力对微元体所做的功。该定律实际是热力学第一定律。流体的能量E通常是内能i、动能和势能P三项之和，可以针对总能量建立能量守恒方程。但是，这样得到的能量守恒方程并不是很好用，一般是从中扣除动能的变化，从而得到关于内能i的守恒方程。而我们知道，内能i与温度T之间存在一定关系，即，其中CF是比热容。这样就可以得到温度T为变量的能量守恒方程（Energy Conservation Equation）： （5-5）该式可写成展开形式： （5-6）其中，CF是比热容，T为温度，k为流

44、体的传热系数，ST为流体的内热源及由于粘性作用流体机械能转换为热能的部分，有时简称ST为粘性耗散项。常将（5-5）或（5-6）简称为能量方程（Energy Equation）。5.3.4 湍流输运方程进气道内的气流运动是极其复杂的湍流运动，湍流是自然界非常普遍的流动类型，流体试验表明，当Reynolds数大于临界值时，流动呈无序的混乱状态，即使边界条件保持不变，流动也是不稳定的，速度等流动特性都随机变化，这种状态称为湍流。湍流带有旋转的流动结构，这就是所谓的湍流涡，简称为涡。从物理结构上看，可以把湍流看成是由各种不同尺度的涡叠合而成的流动，这些涡的大小及旋转轴的方向分布是随机的。大尺度的涡主要

45、由流动的边界条件所决定，其尺寸可以与流场的大小相比拟，它主要受惯性影响而存在，是引起低频脉动的原因；小尺度的涡主要是由粘性力所决定，其尺寸可能只有流场尺度的千分之一的量级，是引起高频脉动的原因。一般认为，无论湍流运动多么复杂，非稳态的连续方程和Navier-Stokes方程对于湍流的瞬时运动仍然是适用的。湍动能方程和湍流耗散率方程，即k方程是气体运动的控制方程之一，其实质就是动量方程。标准的k模型是建立在脉动速度的Navier-Stokes(N-S)方程基础上的，即通过完全的 N-S方程减去雷诺平均的N-S方程而得到的： （5-7） （5-8）其中，有效粘性系数定义为动力粘性系数和湍流粘性系数

46、之和： 湍流产生项有平均应力项P和体力项PB，定义如下： 式中，gi为i方向的重力加速度，为k的湍流Prandtl数，为的湍流Prandtl数，式(5-7)和式(5-8)左边第一项代表k或的变化率，左边第二项代表对流和扩散引起的k或的输运效果，右边第一项代表剪切应力、法向应力和浮力引起的k或的变化速率，右边第二项代表耗散的影响，第三项流体的压缩性所产生的作用。湍动能k和湍动能耗散率是紧密相连的，在方程中，假定的产生项和耗散项正比于k方程中所对应的项，这样使得随k的变化而迅速地变化，从而避免湍动能k出现负值，式中因子为耗散时间尺度的倒数。5.4 用FIRE进行分析计算Fire 软件界面介绍我用的

47、Fire2008 ，如图5-1图5-1 Cfd Tools 窗口 单击CFD Workflow Manager 进入CFDWM 界面，如图5-2所示。 图5-2 CFDWM 窗口 5.4.1 划分网格 使用FAME Advanced Hybrid 网格划分工具，它包括一个完整的自动的网格生成器。 （1）生成进气歧管内表面网格。 用CATIA完成进气歧管内表面计算域的抽取工作，然后以STL格式将其导出，STL格式以二进制的格式输出，导出来大小为1.5M左右，大小合适。 （2）导入表面网格。在目录中选择Meshes，点击右键并在菜单中选择Import，然后找到内表面网格的保存路径，选择OK。看到面

48、网格导入成功，如图5-3。图5-3 表面网格 （3）生成特征边缘线网格；线网格是一系列用户定义的、在离散的表面网格上生成的特征边缘线。为了生成准确的体网格，在表面形状比较尖锐的地方需要生成特征边缘线网格。用CFD-WM 提供的自动生成线网格工具 Auto Edge。生成了如图5-4所示的线网格。图5-4 线网格（4） 建立Selections； 选中表面网格，考虑到后面分析时会用到入口和四个出口的气体流动数据，所以建立六个Selection，分别定义入口、出口和各个出口为BC_inlet，BC_outlet,out1,out2,out3,out4。（5） 进行网格划分，得到体网格；图5-6 生

49、成的体网格 用网格划分工具Create Mesh，选择Hybrid Assistant 然后设置参数，综合考虑体网格质量和后续的运算速度，设置生成的网格的最大尺寸为0.0025，最后生成的体网格如图5-6所示。 （6）检查新生成的体网格的质量；网格质量的好坏对计算能否正常进行以及计算的时间和精度都有很大影响，例如如果有负网格存在，求解器不能够开始计算。因此有必要对网格质量进行检查。检查后的结果如图5-7所示，从图中可以看出，在Required checks 这一栏中所有选项的数目都为0，证明生成的体网格质量很好，网格数总共387349个，多少合适，不需要优化。图5-7 体网格的检查结果5.4.

50、2 计算参数设置 （1）生成新的case； （2）定义计算时的输入数据； 运行模式选择稳态，边界条件BC1: NoName，输入以下数据如图5-8所示。图5-8 边界BC1: NoName数据 插入一个新的边界BC2: NoName输入以下参数，如图5-9所示。图5-9 边界BC2: NoName数据 因为计算对象是纯空气，所以流体属性直接选择AIR。接下来设置初始条件，初始条件设置的好，计算收敛的会很快，如果初始条件设置的不好，收敛会很慢或不能收敛。输入数据如图5-10所示。图5-10 初始条件设置窗口Solver Control求解控制器的参数输入 Discretization离散项设置，

51、因为前期网格生成质量较好，所以Calculation of boundary values这个参数使用Extrapolate 选项，其他参数设置如图5-11所示。图5-11 离散项设置Equation Control方程控制的参数输入如图5-12所示。图5-12 方程控制由于气管内气体为冷流体，因此不用求能量方程。松弛因子是对每一个方程的收敛速度进行控制。Underrelaxation factors低松弛因子设置如图5-13所示。图5-13 低松弛因子Differencing Schemes差分格式为在计算精度和收敛性之间取得折衷，采用 Blending factor-揉和因子，以便在高阶的

52、格式中揉入迎风格式。为了保证质量守恒，连续方程需要选择中心差分，糅合因子定义为1，即纯粹的二阶差分，输入参数如图5-14所示。图5-14 差分格式Linear Solver线性求解器求解线性方程时，要在加快计算速度和加强收敛性方面取得最优方案，对于稳态计算以及很多时间步长的计算，我使用 GSTB，因为它有很高的稳定性，选择线性求解器，输入以下一些参数，如图5-15所示。 图5-15 线性求解器Convergence Criteria收敛标准收敛准则是与标准残差进行对比，一个基本规则是，标准残差需要下降到3 到4 个数量级。其中，minimum and the maximum number of

53、 iterations 影响计算时间和计算结果的精度，最大迭代步骤设为1000 ，参数设置如图5-16所示。图5-16 收敛标准参数设置窗口Output Control输出控制2D结构文件包括整个计算域内流体流动参数的平均值。2D结果输出中激活 Flow quantities, Turbulence quantities 和 Wall summary选项。 选择 Write restart file，输入：输出频率 200在计算过程中，restart 文件可以按照定义的输出频率进行输出，在整个计算过程中，程序只会保留两个 restart 文件，即最近生成的 restart 文件和它前一个 re

54、start 文件。最早的restart 文件将被新生成的文件替换掉。若 Write restart file 不被激活的话，程序将不会生成restart 文件。 选择 Write backup file，输入：输出频率 100在计算过程中，backup 文件可以按照定义的输出频率进行输出，与restart 文件不同的是在整个计算过程中，每一个 backup 文件都不会被新生成的文件替换掉，若计算中途停止，那么可以从任意一个 backup 文件开始重新进行计算。若 Write backup file 不被激活的话，程序将不会生成 backup 文件。选择进口和出口的监控点的位置，分别选择进口BC_inlet和四个出口out1、out2、out3、out4附近的一点进行监控，选择完如图5-17所示。图5-17 输出结果监控点的位置坐标（3） 开始计算 完成以上参数设置工作之后，然后开始计算，右击case，选择Start Calculation用本机CPU，选择我用的软件版本v2008-64bit，开始计算。（4）Monito